【类型】期刊

【作者】荆振杰，谢富仁，王华林，雷惊昊，刘风香（中国地震局地壳应力研究所(地壳动力学重点实验室)；山东省地震局；中国地质博物馆）

【作者单位】中国地震局地壳应力研究所(地壳动力学重点实验室)；山东省地震局；中国地质博物馆

【刊名】震灾防御技术

【关键词】 郯庐断裂山东段；活动构造；滑动反演；第四纪构造应力场

【资助项】中央级公益性科研院所基本科研业务专项(zdj2012-20)和(zdj2012-20)联合资助

【ISSN号】1673-5722

【页码】P463-471

【年份】2019

【期号】第3期

【期刊卷】1;|7

【摘要】郯庐断裂带(即郯城-庐江断裂带)是纵贯中国东部大陆边缘的一条巨型断裂带,整体为北北东走向。它的形成和演化对中国东部中生代以来的地质演化有明显控制作用,同时又是一条现今地震活动较为活跃的地震带,因此对郯庐断裂带周边构造应力场的研究具有重要的意义。采用野外观测取得的10个测点共206条活断层擦痕数据,利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法,计算获得了研究区现代构造应力场主要特征:郯庐断裂及其周边地区现代构造应力场以北东-东西向挤压、北西-近南北向拉张为特征,其最大主压应力(σ1)方向为64°一106°,平均倾角23%最小主压应力(σ3)方向为332°~14°,平均倾角14°;中间主应力(σ2)倾角较陡,近垂直,应力结构为走滑型。

【全文】 文献传递



利用断层滑动资料反演郯庐断裂带山东段第四纪构造应力场1

荆振杰1） 谢富仁1） 王华林2） 雷惊昊1） 刘风香3）

1）中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京 100085 2）山东省地震局，济南 250021 3）中国地质博物馆，北京 100034

摘要：郯庐断裂带（即郯城-庐江断裂带）是纵贯中国东部大陆边缘的一条巨型断裂带，整体为北北东走向。它的形成和演化对中国东部中生代以来的地质演化有明显控制作用，同时又是一条现今地震活动较为活跃的地震带，因此对郯庐断裂带周边构造应力场的研究具有重要的意义。采用野外观测取得的10个测点共206条活断层擦痕数据，利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法，计算获得了研究区现代构造应力场主要特征：郯庐断裂及其周边地区现代构造应力场以北东-东西向挤压、北西-近南北向拉张为特征，其最大主压应力（σ1）方向为64°—106°，平均倾角23º；最小主压应力（σ3）方向为332°—14°，平均倾角14º；中间主应力（σ2）倾角较陡，近垂直，应力结构为走滑型。

关键词：郯庐断裂山东段 活动构造 滑动反演 第四纪构造应力场

引言

郯庐断裂带是我国东部最为重要的活动断裂带，其总体走向北北东向，一般由2—4条或更多近乎平行延伸的断层组成（图1），宽达10—40km，切穿中国东部不同性质的大地构造单元，绵延2400km以上（王华林等，1998）。1668年7月25日8.5级强烈地震发生在郯庐断裂带中昌邑-莒县断层上，造成了北起莒县南至郯城130km的地震破裂带（李家灵等，1992；晁洪太等，1999；施炜，2003）。研究郯庐断裂带周边的构造应力场，对中国东部的发震构造及其发震能力具有重要意义。

前人利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法对中国大陆西部的许多地区构造应力场进行了研究（谢富仁等，1993；2001；2004），而利用这一方法对郯庐断裂带及其周边地区进行的研究较少，究其原因，主要是由于该地区晚第四纪覆盖层相对较少，不易观测到断层活动的最新痕迹。笔者在前人工作的基础上，系统地研究了郯庐断裂带内的活动断层，获得了大量活动断裂的滑动擦痕，利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法，通过循环计算分析，反演了郯庐断裂带区域现代构造应力场的主要特征。

1 利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法简述

利用断层滑动资料反演构造应力张量法通过最新构造运动形成的断裂滑动、古地震构造形迹、地震地表破裂确定导致构造运动与变形的构造应力张量，用计算出的断面上的剪应力方向拟合断面上的滑动方向（也称滑动方向拟合法），最终给出应力张量的4个特征参量，分别是3个主应力方向和一个反映主应力相对量值比关系的应力形因子R（R=（σ2-σ3）/（σ1-σ3），谢富仁，1989）。目前，该方法已广泛应用于构造应力场分析（Angelier，1979；Etchcopat等，1981；Gaais等，2000；Garcia等，2002；Yamaji等，2006；许忠淮等，1984；谢富仁等，1989；2001；2004；张岳桥等，2006）。

2 擦痕观测

郯庐断裂带上发生过多次强震，地表破裂明显。沿地表破裂进行大量的野外调查观测，剥离出多个天然剖面并开挖了多个探槽，在剖面和探槽中发现了大量的断层滑动擦痕。通过对这些擦痕数据的测量反演，可得到研究区周边的构造应力场特征。大多数擦痕数据为晚更新世以来的断层活动所形成，因此反演结果能够客观地反映第四纪时期的构造应力场。野外获取擦痕样品数据有3种来源，分别为断错新地层中形成的擦痕、探槽中揭示的断面擦痕和新鲜基岩断层面上的擦痕。

2.1 断错新地层中形成的擦痕

晚更新世地层直接被断层断错，擦痕保留在晚更新世地层中，易于观测分析，得到的数据资料可靠。在郯城附近，沿断层的两盘地貌景观截然不同（图2（a）），一侧为红褐色的第三系地层，一侧为和黑色的第四系沉积地层，断层倾向西，倾角大于75°。在第四系地层上发育清晰的擦痕，指示断裂为右旋走滑运动，断层擦痕的侧伏角小于23°（图2（b））。在于家山下，由于强烈的构造挤压作用，断层带附近的第四纪早期黄土地层发生强烈的挤压变形，形成褐红色的粘土构造破碎带，在破碎带内形成清晰、完整的断层面，主断面倾向为112°，倾角为27°，主断面上擦痕清晰，侧伏角为31°北。根据擦痕、透镜体及伴生节理判断其运动性质为右行平移。该剖面从西向东为断层泥带、断层角砾带、断层泥带、断层角砾带和碎裂带，总宽度为3.5m。断层擦痕的侧伏角在15°—42°之间（图3）。

2.2 探槽中揭示的断面擦痕

沿郯庐断裂带上活动迹象明显的地段开挖探槽，探槽揭露出最新地层中的擦痕及阶步，是目前分析现代构造应力场最为直接可靠的资料。我们在郯庐断裂带北段的后邓村开挖了探槽。邓村探槽位于断层陡坎前缘与洪积扇交汇的部位，断错现象非常明显，断层陡坎展布约5km长，呈北北东向展布。开挖的探槽呈近东西向，方向为110°，宽度4.5m左右，深度2—3.5m，总长度9m左右。该探槽揭示的断裂最新活动方式与断层地表陡坎展示的活动方式一致，剖面揭露出多条断裂，其中一条错断全新世风成黄土。根据断裂活动性的最新研究成果，认为在莒县至昌邑之间的安丘-莒县断裂仍是占主导地位的活动断裂，与公元前70年安丘7级地震的发生具有密切关系（王志才，2005）。剥开断面处的风成黄土，可观测到清晰的近水平擦痕，指示断裂运动为右旋走滑（图4至图6）。

根据探槽剖面揭露，共揭露地层10层，自新至老地层描述如下：①杂填土：浅黄色粉土、灰绿色碎粉岩快、紫红色碎裂岩混杂堆积，局部有砂土混杂，厚0.2—0.8m；②棕红色-棕黄色粉质粘土-粘土，疏松，大孔隙，含有碳酸钙假菌丝体及细小的钙质结核，具有垂向劈理，厚度2.0m左右；③土黄色粉质粘土，较为密实，含有钙质结核，可见最大厚度为0.8m；④紫红色碎裂粉砂岩破碎带，破碎带内部有与主断面近于平行的次级断面；⑤灰绿色碎裂碎粉岩，含有压扁豆体碎粉岩；⑥灰绿色碎粉岩，含有次级破裂面，产状；⑦灰绿色碎粉岩具有片理定向排列、揉皱现象；⑧紫红色碎粉岩，夹有透镜体，具有片理定向排列、揉皱现象，发育次级破裂面；⑨紫红色-灰绿色断层泥带；⑩粉细砂层。

2.3 新鲜基岩断层面上的擦痕

另外一些新鲜的基岩断裂与晚第四纪活动断裂的活动性质相同，基岩面上易于保存擦痕，观测和测量较为容易。这些新鲜基岩断层面上的断层产物反映了断层活动性质及时代，与晚第四纪断层活动一致，是断裂新活动的产物。

在新泰市附近，断裂发育在泰山群花岗片麻岩与下第三系砾岩之间，由两条平行的断层组成，发育宽2m的挤压透镜体带，两条平行的断层面上发育5—30cm的碎裂岩、碎粉岩和断层泥。断裂对于微观地貌有明显的控制作用，形成多处错断冲沟、水系等新构造现象，显示断裂第四纪以来活动明显。在断面上可见清晰的擦痕（图7）。

小辛庄东南沿地貌陡坎进行追踪（图8），在村西南见断层破碎带出露，南西盘为泰山群花岗岩变质岩，岩石破碎强烈；北东盘为第四系沉积物；发育产状为220°/70°－85°的多条平行断裂，断裂带具有分带性。沿断裂面3.5m宽的范围内发育多期断层泥，根据断层泥的胶结状态可以区分断裂的活动期次，从新到老的活动顺序为灰色、褐灰色、褐色、灰黑色、浅红色和紫红色，显示了断层的多期活动性。在灰色断层泥中和光滑的基岩面上发育有产状相同的近水平的擦痕，指示断裂右旋运动。

3 计算结果

通过大量的野外观测分析，得到郯庐断裂带内13个测点的样品资料，其中的3个测点由于计算结果离散度较大而被舍去，其余10个测点共计206条数据的计算结果均较好地反映了研究区现代构造应力场特征（图9，表1）。每一观测点的反演结果都给出了滑动擦痕s方向与拟合断面剪应力方向τ之间的平均偏差角（表1），据此平均偏差角可以判定所拟合应力张量的可信度。通常认为，若s与τ间的平均偏差角小于20°，其拟合的应力张量则比较可信，若偏差角介于20°—45°之间，拟合的应力张量则视为可取，若偏差角大于45°，拟合的应力张量则不可取（谢富仁，1994）。本次反演计算结果的断面剪应力与滑动方向拟合平均偏差角大部分在5°—20°之间，结果较好，只有莘庄测点是属于可取范围。

根据计算结果得出，郯庐断裂及其周边地区现代构造应力场以北东-东西向挤压、北西-近南北向拉张为特征，其最大主压应力（σ1）方向为64°—106°，平均倾角23º；最小主压应力（σ3）方向为332°—14°，平均倾角14º；中间主应力（σ2）倾角较陡，近垂直，应力结构为走滑型，反映了该区域以水平构造作用为主。

*（s，τ）为滑动矢量与拟合出的剪应力之间的平均偏差角。

4 结论与讨论

（1）利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法，计算获得了郯庐断裂带及其周边地区现代构造应力场主要特征：该地区现代构造应力场以近东西向挤压、南北向拉张为主要特征，应力结构为走滑型。其最大主压应力（σ1）方向为64°—106°，平均倾角23º；最小主压应力（σ3）方向为332°—14°，平均倾角14º；中间主应力（σ2）倾角较陡，近垂直。

（2）虞庭林等（1981）利用鲁东南地区跨越沂沭断裂带的大地水准进行分析，认为沂沭断裂带处于近东西向的压应力环境中；李开洋等（2014）利用地应力测量方法进行研究，认为郯庐断裂带应力方向以NEE到近EW向为主；刘峡等（2006）利用最新的GPS资料分析认为，沂沭断裂带地区主压应力方向为北东东-南西西方向；李瑞莎等（2008）依据2002至2006年的中小地震资料，通过格点尝试法分析华北北部地区现今的应力场特征，认为沂沭断裂带地区主压应力方向为北东东-南西西方向。统计分析各种计算结果，郯庐断裂带区域现代构造应力场为区域性挤压，主压应力方向为北东东-南西西方向，表明该区域构造应力场自第四纪以来处于稳定状态。

参考文献：

晁洪太，王志才，刘西林，1999．郯庐断裂带下辽河-莱州湾段与潍坊-嘉山段地震构造和地震活动特征对比．华北地震科学，17（2）：36—41．

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Modern Tectonic Stress Field in the Tan-Lu Fault and Its Surrounding Region

Jing Zhenjie1), Xie Furen1), Wang Hualin2), Lei Jinghao1) and Liu Fengxiang3)

1) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China 2) Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250021, China 3) The Geological Museum of China, Beijing 100034, China

Abstract：The Tan-Lu fault zone is a large-scale strike-slip fault zone and important geological boundary striking NNE in east China, its formation and evolution of the geological evolution since the Mesozoic in the east China has obvious control effect, at the same time, it is a belt of seismic activity today, so the study of tectonic stress field of surrounding the Tan-Lu fault zone has an important significance. According to field seismo-geology investigation and fault slip observation, we got 206 data of active fault slickensides. And using the method of inversion of fault slip data, we can obtain following characteristics of recent tectonic stress field in the research region. It is characterized by near NE-SW maximum compressional stress and by near NW-SE minimum extensional stress in the Tan-Lu fault，and the stress regimes are all of strike slip. The direction of the maximum principal compressional stress (σ1) is N64°W—N104°E, and the average dip angle is 23°. the minimum principal compressional stress (σ3) is N322°W—N14°E, and the average dip angle is 14°, and the dip angle of middle principal compressional stress (σ2) is nearly vertical.

Key words：The Tan-Lu fault zone；Fault slip data；Tectonic stress field；Quaternary tectonic stress field

1基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务专项（ZDJ2012-20）和（ZDJ2012-20）联合资助

［收稿日期］2015-11-13

［作者简介］荆振杰，男，生于1976年。助理研究员。主要研究方向：活动构造及构造应力场。E-mail：jingzhenjie@163.com

［通讯作者］谢富仁，男，生于1956年。研究员。主要研究方向：活动构造及构造应力场。E-mail：xxiefr@263.net